Dispersione del grafene mediante ultrasuoni
Per incorporare il grafene nei compositi, è essenziale disperderlo o esfoliarlo in singoli nanofogli distribuiti uniformemente nell’intera formulazione. Quanto più accuratamente il grafene viene deagglomerato, tanto meglio si possono sfruttare le sue straordinarie proprietà. La dispersione mediante ultrasuoni offre una distribuzione delle particelle e una stabilità della dispersione superiori, anche a concentrazioni e viscosità elevate. Questo metodo garantisce una qualità di dispersione eccezionale, di gran lunga superiore a quella delle tecniche di miscelazione convenzionali.
Dispersione del grafene mediante ultrasuoni
Per conferire ai compositi le eccezionali caratteristiche del grafene, come la sua resistenza, il grafene deve essere disperso uniformemente in una matrice o applicato come rivestimento a film sottile su un substrato. Tra i fattori principali che influenzano le proprietà del materiale risultante figurano l’agglomerazione, la sedimentazione e la dispersione all’interno della matrice o la distribuzione delle particelle sul substrato.
A causa della natura idrofoba del grafene, ottenere una dispersione stabile e altamente concentrata senza tensioattivi o disperdenti è difficile. Per superare le forze di van der Waals occorrono intense forze di taglio, che possono essere generate efficacemente mediante cavitazione ultrasonica. Questo metodo è il più avanzato per preparare dispersioni stabili.
Sonicatori industriali per la dispersione del grafene con elevata capacità di trattamento.
Utilizzando un dispersore a ultrasuoni, come il sonicatore UIP2000hdT da 2kW, il sonicatore UIP4000hdT da 4kW, il sonicatore UIP6000hdT da 6kW o il sonicatore UIP16000hdT da 16kW, è possibile preparare facilmente grafene con elevata conducibilità elettrica (712 S·m-1), buona dispersità e alta concentrazione. La sonicazione consente inoltre di preparare una dispersione stabile di grafene a una bassa temperatura di processo, pari a circa 65°C.
Ulteriori informazioni e dettagli tecnici sui sonicatori industriali a sonda Hielscher per l’esfoliazione e la dispersione del grafene sono disponibili qui:
- UIP1000hdT (ultrasuoni di potenza da 1000 watt)
- UIP2000hdT (ultrasuoni di potenza da 2000 watt)
- UIP4000hdT (ultrasuoni di potenza da 4000 watt)
- UIP6000hdT (ultrasuoni di potenza da 6000 watt)
- UIP16000hdT (ultrasuoni di potenza da 16.000 watt)
Tutti i sonicatori Hielscher consentono di controllare con precisione tutti i parametri di processo importanti; la tecnologia di dispersione mediante ultrasuoni evita danni alle strutture chimiche e cristalline del grafene – ottenendo così scaglie di grafene incontaminate e prive di difetti.
I potenti sonicatori Hielscher sono in grado di trattare grandi volumi di grafene e grafite, ad esempio per l’esfoliazione in fase liquida e la dispersione del grafene. Il controllo preciso dei parametri di processo consente di aumentare senza difficoltà la scala dei processi a ultrasuoni, dalle unità da banco alla produzione commerciale su larga scala.
Il grafene a pochi strati esfoliato mediante ultrasuoni, con circa 3–4 strati e dimensioni di circa 1μm, può essere (ri)disperso a concentrazioni di almeno 63 mg/mL.
Immagini SEM di nanopiastrine di grafene a ingrandimenti di (b) X3000 e (c) X8000
(Studio e immagini: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafene di alta qualità
- elevata capacità di trattamento / rese elevate
- dispersione uniforme
- alta concentrazione
- viscosità elevate
- processo rapido
- costi contenuti
- elevata efficienza
- rispettoso dell’ambiente
Reattore a ultrasuoni da 7kW per dispersioni di grafene
Omogeneizzatori e dispersori a ultrasuoni per il grafene
Hielscher Ultrasonics fornisce sistemi a ultrasuoni ad alta potenza per esfoliare e disperdere grafene e grafite stratificati in forma massiva, ottenendo grafene monostrato, bistrato e a pochi strati. I suoi affidabili processori a ultrasuoni e reattori avanzati offrono la potenza necessaria e un controllo preciso per raggiungere obiettivi di processo specifici.
Uno dei parametri di processo più importanti è l’ampiezza ultrasonica, ossia lo spostamento vibratorio del sonotrodo. I sonicatori industriali Hielscher sono progettati per fornire ampiezze molto elevate, con funzionamento continuo fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonde a ultrasuoni personalizzate. I parametri di processo di tutti i sonicatori Hielscher possono essere regolati con precisione in base alle condizioni di processo richieste e monitorati tramite il software integrato, garantendo elevata affidabilità, qualità costante e risultati riproducibili. La struttura robusta dei sonicatori Hielscher è progettata per il funzionamento 24/7 in ambienti impegnativi, rendendo la sonicazione la tecnologia preferita per la produzione su larga scala di nanofogli di grafene monostrato e a pochi strati.
Hielscher offre un’ampia gamma di sonicatori e accessori, tra cui sonotrodi e reattori di varie dimensioni e geometrie. Ciò consente di selezionare condizioni e fattori di reazione ottimali, come reagenti, apporto di energia ultrasonica per unità di volume, pressione, temperatura e portata, per ottenere la massima qualità. I suoi reattori a ultrasuoni possono essere pressurizzati fino a diverse centinaia di barg, rendendo possibile la sonicazione di paste altamente viscose (fino a 250.000 centipoise).
Queste capacità rendono la delaminazione, l’esfoliazione e la dispersione mediante ultrasuoni superiori alle tecniche convenzionali di triturazione e macinazione.
I sonicatori Hielscher sono gli omogeneizzatori a ultrasuoni più avanzati sul mercato. Approfittate dei numerosi vantaggi offerti dai sonicatori Hielscher!
Illustrazione della sintesi di nanopiastrine di grafene mediante ultrasuoni utilizzando il sonicatore UP100H
(Studio e illustrazione: Ghanem and Rehim, 2018)
Sonicatori Hielscher per il grafene:
- ultrasuoni ad alta potenza
- intense forze di taglio
- possibilità di applicare pressioni elevate
- controllo preciso
- scalabilità senza difficoltà (lineare)
- trattamento in lotti e a flusso continuo
- risultati riproducibili
- affidabilità
- robustezza
- elevata efficienza energetica
Informazioni utili
Che cos’è il grafene?
Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, che può essere descritto come una struttura monostrato o 2D di grafene (grafene monostrato = SLG). Il grafene presenta una superficie specifica straordinariamente ampia e proprietà meccaniche superiori (modulo di Young di 1 TPa e resistenza intrinseca di 130 GPa), offre un’elevata conducibilità elettronica e termica, mobilità dei portatori di carica e trasparenza, ed è impermeabile ai gas. Grazie a queste caratteristiche, il grafene viene utilizzato come additivo di rinforzo per conferire ai compositi la sua resistenza, conducibilità, ecc. Per combinare le caratteristiche del grafene con quelle di altri materiali, il grafene deve essere disperso nel composto oppure applicato come rivestimento a film sottile su un substrato.
I solventi comuni spesso utilizzati come fase liquida per disperdere i nanofogli di grafene comprendono dimetilsolfossido (DMSO) , N,N-dimetilformammide (DMF), N-metil-2-pirrolidone (NMP), tetrametilurea (TMU, tetraidrofurano (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanolo e formammide.
Il grafene può essere disperso in acqua?
Sì, il grafene può essere disperso in acqua utilizzando tensioattivi, polimeri o altri agenti stabilizzanti per prevenire l’aggregazione e mantenere la stabilità della dispersione. Anche apparecchiature di dispersione affidabili, come i sonicatori a sonda, svolgono un ruolo cruciale nella dispersione del grafene, utilizzando l’energia ultrasonica per disgregare gli agglomerati e ridurre le dimensioni delle particelle di grafene, favorendo una dispersione più uniforme e stabile nel mezzo liquido.
L’ossido di grafene può dissolversi in acqua?
Sì, l’ossido di grafene può dissolversi in acqua grazie ai suoi gruppi funzionali contenenti ossigeno, che ne aumentano l’idrofilia e gli consentono di formare dispersioni acquose stabili.
Qual è il solvente migliore per disperdere il grafene?
Il solvente migliore per disperdere il grafene è l’N-metil-2-pirrolidone (NMP), grazie alla sua elevata polarità e alla capacità di stabilizzare i fogli di grafene, ottenendo una dispersione uniforme e stabile.
Perché il grafene è insolubile in acqua?
Il grafene è insolubile in acqua perché è privo di gruppi funzionali in grado di interagire con le molecole d’acqua, il che lo rende idrofobo e soggetto all’aggregazione a causa delle intense forze di van der Waals tra i fogli di grafene.
Perché il grafene viene utilizzato nei compositi?
Il grafene è il materiale più sottile, con uno spessore di un atomo, il più leggero, con un peso di circa 0,77 mg per 1m2 , e il più resistente tra quelli conosciuti, con una rigidità a trazione di 150.000.000 psi (100–300 volte più resistente dell’acciaio) e una resistenza a trazione di 130.000.000.000 pascal.
Inoltre, il grafene è il migliore conduttore termico (a temperatura ambiente, con valori da (4,84±0,44) × 103 a (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) e il migliore conduttore elettrico (mobilità elettronica superiore a 15.000 cm2·V-1·s-1).
Un’altra caratteristica importante del grafene è la sua proprietà ottica, con un assorbimento di luce pari a πα≈2,3% della luce bianca, e il suo aspetto trasparente.
Incorporando il grafene nelle matrici, queste eccezionali caratteristiche possono essere trasferite al composito risultante, che offre funzionalità uniche. Questi compositi rinforzati con grafene offrono nuove possibilità per lo sviluppo di materiali e le applicazioni industriali. Grazie alle sue caratteristiche, il grafene e i compositi a base di grafene sono già ampiamente diffusi nella produzione di batterie ad alte prestazioni, supercondensatori, inchiostri conduttivi, rivestimenti, sistemi fotovoltaici e dispositivi elettronici
I sonicatori Hielscher forniscono le intense forze di taglio necessarie per superare le forze di van der Waals e distribuire uniformemente i nanofogli di grafene nelle matrici dei compositi. I dispersori a ultrasuoni come UIP2000hdT o UIP16000 vengono utilizzati per produrre nanocompositi rinforzati con grafene e ossido di grafene.
Bibliografia/Riferimenti
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Graphene Coated Alumina Nanofibres as Zirconia Reinforcement. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 April 2014, Tallinn, Estonia.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalle dimensioni da laboratorio a quelle industriali.